發(fā)布時間：2020-07-05 10:57

【摘要】：隨著我國海洋工程逐漸向深海延伸,動力定位系統(tǒng)在海洋工程的應用越來越廣泛,動力定位技術的研究顯得極為迫切和必要。本文以船舶動力定位系統(tǒng)為研究對象,主要采用分離型建模方法和非線性模型預測控制等理論方法,研究動力定位船舶的六自由度操縱運動數(shù)學模型和動力定位控制算法等一系列問題,主要研究內(nèi)容為如下4個方面:首先,針對“多槳多舵”動力定位船舶進行低速大漂角運動且極易受到海洋環(huán)境擾動影響的運動特點,采用分離型建模思想,提出了一種全速域動力定位船舶六自由度操縱運動數(shù)學模型。該模型充分考慮了可變螺距螺旋槳推進器的多象限工況,海洋環(huán)境中不規(guī)則風擾動和短峰不規(guī)則波浪擾動。以一艘深水多用途海洋工程拖船為研究對象進行了旋回試驗、停船試驗和側推試驗,仿真結果表明所建立的模型滿足動力定位船舶測試仿真平臺和船舶動力定位模擬器的精度要求。其次,針對動力定位船舶存在系統(tǒng)輸入和輸入變化率飽和且受到未知時變擾動條件下的非線性控制問題。首先采用模型預測控制算法設計船舶動力定位控制器,將線性化的船舶運動數(shù)學模型作為預測模型,提出一種含有積分器的船舶動力定位模型預測控制算法。然后考慮動力定位船舶是復雜的非線性系統(tǒng),線性模型預測控制算法易出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象的問題,應用精確反饋線性化設計工具將原非線性系統(tǒng)轉換為線性系統(tǒng),同時采用序列二次規(guī)劃方法求解非線性約束問題,提出了一種基于精確反饋線性化的船舶動力定位非線性模型預測控制算法。以一艘動力定位供給船為研究對象進行了仿真驗證,仿真結果表明,本文所提出控制算法能夠在系統(tǒng)存在輸入和輸入變化率飽和的情況下,克服海洋環(huán)境如風浪等未知時變擾動對船舶的影響,使船舶到達并保持在期望位置和艏向。接著,針對非線性模型預測控制算法在線計算量大的實時控制問題,提出了一種基于拉蓋爾函數(shù)的船舶動力定位非線性模型預測控制算法。該算法引入拉蓋爾函數(shù),用于描述線性控制結構的控制增量信號,降低了非線性優(yōu)化問題中各系數(shù)矩陣的維度,從而降低了在線優(yōu)化的計算負荷。最后以一艘動力定位供給船為研究對象進行了仿真對比實驗,仿真結果表明該算法保留了原非線性模型預測控制算法控制性能,同時降低了控制器的計算量,達到了實時性的要求。最后,針對動力定位系統(tǒng)實船使用前需進行不同階段的系統(tǒng)測試,以及采用模型試驗、實船試驗測試動力定位系統(tǒng)存在風險大、費用高、調(diào)試周期長等缺點,首先開發(fā)了一套針對船舶動力定位控制算法測試的仿真系統(tǒng),采用多線程技術、三維圖形技術、計算機網(wǎng)絡技術等手段實現(xiàn)了界面友好、操作方便的實時仿真系統(tǒng)。同時基于實驗室的航海模擬器系統(tǒng)和本文所提出的動力定位船舶六自由度運動數(shù)學模型,研發(fā)了針對動力定位控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)與荷蘭某動力定位廠商的動力定位控制系統(tǒng)成功對接,驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性。本文所研究的動力定位船舶運動數(shù)學模型和船舶動力定位控制算法對提高動力定位系統(tǒng)的定位精度,推進國產(chǎn)化的海洋工程裝備研制具有現(xiàn)實意義,為發(fā)展“綠色”海洋經(jīng)濟奠定了重要理論基礎。
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U664.82
【圖文】：

國內(nèi)自２０世紀７０年代開始研究動力定位技術，但大多數(shù)研究單位尚處于理論研究或逡逑試驗研究階段。哈爾濱工程大學自１９８３年開始研究船舶動力定位技術，并在１９９７年成功逡逑研制了我國第一套裝備水面的動力定位系統(tǒng)［７１。２００９年８月，中國船舶工業(yè)集團７０８研究逡逑所首次成功設計了世界最先進的ＤＰ－３級動力定位系統(tǒng)，獲得了中國船級社和美國船級社逡逑的認可，并通過了故障模式與影響分析的全面驗證［８］。２０１２年５月，我國首座自主設計、逡逑建造的第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油９８１邋”建造成功，配備了目前世界上最先進逡逑的ＤＰ－３動力定位控制系統(tǒng)，能夠在深海中精確定位［９］。２０１４年１０月，哈爾濱工程大學牽逡逑頭研發(fā)的“ＤＰ－３動力定位系統(tǒng)研制”項目通過了工信部驗收，實現(xiàn)了我國ＤＰ－３動力定位逡逑系統(tǒng)“零”的突破［１Ｇ］。近幾年，我國在動力定位船舶設計和建造均有較大的突破，如首逡逑艘動力定位自航工程船“華海龍”號、首艘３邋０００米級動力定位深水鋪管起重船“海洋石逡逑油２０１”、首艘動力定位挖溝船“海洋石油２９５”、首艘深海動力定位原油轉駁船（Ｎ６９７－逡逑ＣＴＶ）等陸續(xù)投入使用。盡管我國在動力定位技術的研究取得了一定的成果，但在理論逡逑研究與實際應用之間存在較大差距，大多數(shù)關鍵技術仍依賴于國外。逡逑

國內(nèi)自２０世紀７０年代開始研究動力定位技術，但大多數(shù)研究單位尚處于理論研究或逡逑試驗研究階段。哈爾濱工程大學自１９８３年開始研究船舶動力定位技術，并在１９９７年成功逡逑研制了我國第一套裝備水面的動力定位系統(tǒng)［７１。２００９年８月，中國船舶工業(yè)集團７０８研究逡逑所首次成功設計了世界最先進的ＤＰ－３級動力定位系統(tǒng)，獲得了中國船級社和美國船級社逡逑的認可，并通過了故障模式與影響分析的全面驗證［８］。２０１２年５月，我國首座自主設計、逡逑建造的第六代深水半潛式鉆井平臺“海洋石油９８１邋”建造成功，配備了目前世界上最先進逡逑的ＤＰ－３動力定位控制系統(tǒng)，能夠在深海中精確定位［９］。２０１４年１０月，哈爾濱工程大學牽逡逑頭研發(fā)的“ＤＰ－３動力定位系統(tǒng)研制”項目通過了工信部驗收，實現(xiàn)了我國ＤＰ－３動力定位逡逑系統(tǒng)“零”的突破［１Ｇ］。近幾年，我國在動力定位船舶設計和建造均有較大的突破，如首逡逑艘動力定位自航工程船“華海龍”號、首艘３邋０００米級動力定位深水鋪管起重船“海洋石逡逑油２０１”、首艘動力定位挖溝船“海洋石油２９５”、首艘深海動力定位原油轉駁船（Ｎ６９７－逡逑ＣＴＶ）等陸續(xù)投入使用。盡管我國在動力定位技術的研究取得了一定的成果，但在理論逡逑研究與實際應用之間存在較大差距，大多數(shù)關鍵技術仍依賴于國外。逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2742510